Metaloide - Metalloid

Un metaloide es un tipo de elemento químico que tiene una preponderancia de propiedades intermedias o que son una mezcla de las de metales y no metales . No existe una definición estándar de metaloide ni un acuerdo completo sobre qué elementos son metaloides. A pesar de la falta de especificidad, el término sigue utilizándose en la literatura de la química .

Los seis metaloides comúnmente reconocidos son boro , silicio , germanio , arsénico , antimonio y telurio . Cinco elementos se clasifican con menos frecuencia: carbono , aluminio , selenio , polonio y astato . En una tabla periódica estándar, los once elementos están en una región diagonal del bloque p que se extiende desde el boro en la parte superior izquierda hasta el astato en la parte inferior derecha. Algunas tablas periódicas incluyen una línea divisoria entre metales y no metales , y los metaloides pueden encontrarse cerca de esta línea.

Los metaloides típicos tienen una apariencia metálica, pero son frágiles y solo conductores aceptables de electricidad . Químicamente, se comportan principalmente como no metales. Pueden formar aleaciones con metales. La mayoría de sus otras propiedades físicas y químicas son de naturaleza intermedia. Los metaloides suelen ser demasiado frágiles para tener usos estructurales. Ellos y sus compuestos se utilizan en aleaciones, agentes biológicos, catalizadores , retardadores de llama , vidrios , almacenamiento óptico y optoelectrónica , pirotecnia , semiconductores y electrónica.

Las propiedades eléctricas del silicio y el germanio permitieron el establecimiento de la industria de los semiconductores en la década de 1950 y el desarrollo de la electrónica de estado sólido desde principios de la década de 1960.

El término metaloide se refería originalmente a los no metales. Su significado más reciente, como categoría de elementos con propiedades intermedias o híbridas, se generalizó en 1940-1960. Los metaloides a veces se denominan semimetales, una práctica que se ha desaconsejado, ya que el término semimetal tiene un significado diferente en física que en química. En física, se refiere a un tipo específico de estructura de banda electrónica de una sustancia. En este contexto, solo el arsénico y el antimonio son semimetales y comúnmente se reconocen como metaloides.

Definiciones

Basado en juicio

Un metaloide es un elemento que posee una preponderancia de propiedades intermedias o que son una mezcla de las de los metales y los no metales y, por lo tanto, es difícil de clasificar como metal o no metal. Esta es una definición genérica que se basa en los atributos de los metaloides que se citan constantemente en la literatura. La dificultad de categorizar es un atributo clave. La mayoría de los elementos tienen una mezcla de propiedades metálicas y no metálicas, y se pueden clasificar según qué conjunto de propiedades sea más pronunciado. Solo los elementos en o cerca de los márgenes, que carecen de una preponderancia suficientemente clara de propiedades metálicas o no metálicas, se clasifican como metaloides.

El boro, el silicio, el germanio, el arsénico, el antimonio y el telurio se reconocen comúnmente como metaloides. Dependiendo del autor, a veces se agregan a la lista uno o más de selenio , polonio o astato . El boro a veces se excluye, solo o con silicio. A veces, el telurio no se considera un metaloide. Se ha cuestionado la inclusión de antimonio , polonio y astato como metaloides.

Otros elementos se clasifican ocasionalmente como metaloides. Estos elementos incluyen hidrógeno, berilio , nitrógeno , fósforo , azufre , zinc , galio , estaño , yodo , plomo , bismuto y radón. El término metaloide también se ha utilizado para elementos que exhiben brillo metálico y conductividad eléctrica, y que son anfóteros , como arsénico, antimonio, vanadio , cromo , molibdeno , tungsteno , estaño, plomo y aluminio. Los metales del bloque p y los no metales (como el carbono o el nitrógeno) que pueden formar aleaciones con metales o modificar sus propiedades también se han considerado ocasionalmente como metaloides.

Basado en criterios

No existe una definición ampliamente aceptada de metaloide, ni ninguna división de la tabla periódica en metales, metaloides y no metales; Hawkes cuestionó la viabilidad de establecer una definición específica, y señaló que se pueden encontrar anomalías en varios intentos de construcción. Sharp ha descrito la clasificación de un elemento como metaloide como "arbitrario".

El número y las identidades de los metaloides dependen de los criterios de clasificación que se utilicen. Emsley reconoció cuatro metaloides (germanio, arsénico, antimonio y telurio); James y col. enumeró doce (Emsley más boro, carbono, silicio, selenio, bismuto, polonio, moscovio y livermorio ). En promedio, se incluyen siete elementos en dichas listas ; Los arreglos de clasificación individual tienden a compartir puntos en común y varían en los márgenes mal definidos.

Se usa comúnmente un único criterio cuantitativo, como la electronegatividad , los metaloides tienen valores de electronegatividad de 1.8 o 1.9 a 2.2. Otros ejemplos incluyen la eficiencia de empaquetamiento (la fracción de volumen en una estructura cristalina ocupada por átomos) y la relación de criterio de Goldhammer-Herzfeld. Los metaloides comúnmente reconocidos tienen eficiencias de empaquetamiento de entre 34% y 41%. La relación Goldhammer-Herzfeld, aproximadamente igual al cubo del radio atómico dividido por el volumen molar , es una medida simple de cuán metálico es un elemento, los metaloides reconocidos tienen relaciones de alrededor de 0,85 a 1,1 y un promedio de 1,0. Otros autores se han basado, por ejemplo, en la conductancia atómica o el número de coordinación global .

Jones, al escribir sobre el papel de la clasificación en la ciencia, observó que "[las clases] generalmente se definen por más de dos atributos". Masterton y Slowinski utilizaron tres criterios para describir los seis elementos comúnmente reconocidos como metaloides: los metaloides tienen energías de ionización de alrededor de 200 kcal / mol (837 kJ / mol) y valores de electronegatividad cercanos a 2,0. También dijeron que los metaloides son típicamente semiconductores, aunque el antimonio y el arsénico (semimetales desde una perspectiva física) tienen conductividades eléctricas cercanas a las de los metales. Se sospecha que el selenio y el polonio no están en este esquema, mientras que el estado de astato es incierto.

En este contexto, Vernon propuso que un metaloide es un elemento químico que, en su estado estándar, tiene (a) la estructura de banda electrónica de un semiconductor o un semimetal; y (b) un primer potencial de ionización intermedio "(digamos 750-1.000 kJ / mol)"; y (c) una electronegatividad intermedia (1.9-2.2).

Territorio de la tabla periódica

Localización

Los metaloides se encuentran a ambos lados de la línea divisoria entre metales y no metales . Esto se puede encontrar, en diferentes configuraciones, en algunas tablas periódicas . Los elementos de la parte inferior izquierda de la línea generalmente muestran un comportamiento metálico creciente; Los elementos de la parte superior derecha muestran un comportamiento no metálico en aumento. Cuando se presentan como un escalón normal, los elementos con la temperatura crítica más alta para sus grupos (Li, Be, Al, Ge, Sb, Po) se encuentran justo debajo de la línea.

La posición diagonal de los metaloides representa una excepción a la observación de que los elementos con propiedades similares tienden a aparecer en grupos verticales . Se puede ver un efecto relacionado en otras similitudes diagonales entre algunos elementos y sus vecinos de la parte inferior derecha, específicamente litio-magnesio, berilio-aluminio y boro-silicio. Rayner-Canham ha argumentado que estas similitudes se extienden al carbono-fósforo, nitrógeno-azufre y en tres series de bloques d .

Esta excepción surge debido a tendencias horizontales y verticales en competencia en la carga nuclear . A lo largo de un período , la carga nuclear aumenta con el número atómico al igual que el número de electrones. La atracción adicional sobre los electrones externos a medida que aumenta la carga nuclear generalmente supera el efecto de apantallamiento de tener más electrones. Con algunas irregularidades, los átomos se vuelven más pequeños, la energía de ionización aumenta y hay un cambio gradual de carácter, a lo largo de un período, de elementos fuertemente metálicos a débilmente metálicos, débilmente no metálicos a fuertemente no metálicos. Al descender por un grupo principal , el efecto de aumentar la carga nuclear generalmente se ve compensado por el efecto de los electrones adicionales que están más lejos del núcleo. Los átomos generalmente se hacen más grandes, la energía de ionización disminuye y el carácter metálico aumenta. El efecto neto es que la ubicación de la zona de transición metal-no metal se desplaza hacia la derecha al descender por un grupo, y se observan similitudes diagonales análogas en otras partes de la tabla periódica, como se indicó.

Tratamientos alternativos

Los elementos que bordean la línea divisoria metal-no metal no siempre se clasifican como metaloides, teniendo en cuenta que una clasificación binaria puede facilitar el establecimiento de reglas para determinar los tipos de enlaces entre metales y no metales. En tales casos, los autores interesados ​​se centran en uno o más atributos de interés para tomar sus decisiones de clasificación, en lugar de preocuparse por la naturaleza marginal de los elementos en cuestión. Sus consideraciones pueden hacerse explícitas o no y, en ocasiones, pueden parecer arbitrarias. Los metaloides pueden agruparse con metales; o considerados como no metales; o tratado como una subcategoría de no metales. Otros autores han sugerido clasificar algunos elementos como metaloides "enfatiza que las propiedades cambian gradualmente en lugar de abruptamente a medida que uno se mueve a través o hacia abajo de la tabla periódica". Algunas tablas periódicas distinguen elementos que son metaloides y no muestran una línea divisoria formal entre metales y no metales. En cambio, se muestra que los metaloides ocurren en una banda diagonal o región difusa. La consideración clave es explicar el contexto de la taxonomía en uso.

Propiedades

Los metaloides generalmente se parecen a los metales, pero se comportan en gran medida como no metales. Físicamente, son sólidos brillantes y quebradizos con una conductividad eléctrica intermedia a relativamente buena y la estructura de banda electrónica de un semimetal o semiconductor. Químicamente, se comportan principalmente como no metales (débiles), tienen energías de ionización intermedias y valores de electronegatividad, y óxidos anfóteros o débilmente ácidos . Pueden formar aleaciones con metales. La mayoría de sus otras propiedades físicas y químicas son de naturaleza intermedia .

Comparado con metales y no metales

Las propiedades características de los metales, metaloides y no metales se resumen en la tabla. Las propiedades físicas se enumeran en orden de facilidad de determinación; Las propiedades químicas van de lo general a lo específico y luego a lo descriptivo.

La tabla anterior refleja la naturaleza híbrida de los metaloides. Las propiedades de forma, apariencia y comportamiento cuando se mezclan con metales son más parecidas a los metales. La elasticidad y el comportamiento químico general se parecen más a los no metales. La conductividad eléctrica, la estructura de la banda, la energía de ionización, la electronegatividad y los óxidos son intermedios entre los dos.

Aplicaciones habituales

El foco de esta sección está en los metaloides reconocidos. Los elementos que se reconocen con menos frecuencia como metaloides se clasifican normalmente como metales o no metales; algunos de ellos se incluyen aquí con fines comparativos.

Los metaloides son demasiado frágiles para tener usos estructurales en sus formas puras. Ellos y sus compuestos se utilizan como (o en) componentes de aleación, agentes biológicos (toxicológicos, nutricionales y medicinales), catalizadores, retardadores de llama, vidrios (óxidos y metálicos), medios de almacenamiento óptico y optoelectrónica, pirotecnia, semiconductores y electrónica.

Aleaciones

Pellets de aleación de cobre-germanio , probablemente ~ 84% Cu; 16% Ge. Cuando se combina con plata, el resultado es una plata esterlina resistente al deslustre . También se muestran dos bolitas de plata.

Al comienzo de la historia de los compuestos intermetálicos , el metalúrgico británico Cecil Desch observó que "ciertos elementos no metálicos son capaces de formar compuestos de carácter claramente metálico con metales, y estos elementos pueden, por tanto, entrar en la composición de las aleaciones". Asoció silicio, arsénico y telurio, en particular, con los elementos formadores de aleaciones. Phillips y Williams sugirieron que los compuestos de silicio, germanio, arsénico y antimonio con metales B "probablemente se clasifiquen mejor como aleaciones".

Entre los metaloides más ligeros, las aleaciones con metales de transición están bien representadas. El boro puede formar compuestos intermetálicos y aleaciones con metales de la composición M _n B, si n > 2. Se utiliza ferroboro (15% de boro) para introducir boro en el acero ; Las aleaciones de níquel-boro son ingredientes en las aleaciones de soldadura y las composiciones de cementación para la industria de la ingeniería. Las aleaciones de silicio con hierro y con aluminio son ampliamente utilizadas por las industrias del acero y la automoción, respectivamente. El germanio forma muchas aleaciones, sobre todo con los metales de acuñación .

Los metaloides más pesados ​​continúan el tema. El arsénico puede formar aleaciones con metales, incluidos el platino y el cobre ; también se agrega al cobre y sus aleaciones para mejorar la resistencia a la corrosión y parece conferir el mismo beneficio cuando se agrega al magnesio. El antimonio es bien conocido como formador de aleaciones, incluso con los metales de acuñación. Sus aleaciones incluyen peltre (una aleación de estaño con hasta un 20% de antimonio) y tipo metal (una aleación de plomo con hasta un 25% de antimonio). El telurio se alea fácilmente con hierro, como ferrotellurio (50 a 58% de telurio) y con cobre, en forma de telurio de cobre (40 a 50% de telurio). El ferrotelurio se utiliza como estabilizador del carbono en la fundición de acero. De los elementos no metálicos reconocidos con menos frecuencia como metaloides, el selenio, en forma de ferroselenio (50–58% de selenio), se utiliza para mejorar la maquinabilidad de los aceros inoxidables.

Agentes biologicos

Trióxido de arsénico o arsénico blanco , una de las formas de arsénico más tóxicas y prevalentes . Las propiedades antileucémicas del arsénico blanco se informaron por primera vez en 1878.

Los seis elementos comúnmente reconocidos como metaloides tienen propiedades tóxicas, dietéticas o medicinales. Los compuestos de arsénico y antimonio son especialmente tóxicos; el boro, el silicio y posiblemente el arsénico son oligoelementos esenciales. El boro, el silicio, el arsénico y el antimonio tienen aplicaciones médicas, y se cree que el germanio y el telurio tienen potencial.

El boro se utiliza en insecticidas y herbicidas. Es un oligoelemento esencial. Como ácido bórico , tiene propiedades antisépticas, antifúngicas y antivirales.

El silicio está presente en el silatrano , un raticida altamente tóxico. La inhalación prolongada de polvo de sílice causa silicosis , una enfermedad mortal de los pulmones. El silicio es un oligoelemento esencial. Se puede aplicar gel de silicona a pacientes con quemaduras graves para reducir las cicatrices.

Las sales de germanio son potencialmente dañinas para los seres humanos y los animales si se ingieren de forma prolongada. Existe interés en las acciones farmacológicas de los compuestos de germanio, pero todavía no hay medicamentos autorizados.

El arsénico es notoriamente venenoso y también puede ser un elemento esencial en cantidades ultratrazas. Durante la Primera Guerra Mundial , ambos bandos utilizaron " agentes para estornudar y vomitar a base de arsénico ... para obligar a los soldados enemigos a quitarse las máscaras de gas antes de dispararles mostaza o fosgeno en una segunda salva ". Se ha utilizado como agente farmacéutico desde la antigüedad, incluso para el tratamiento de la sífilis antes del desarrollo de los antibióticos . El arsénico también es un componente del melarsoprol , un fármaco utilizado en el tratamiento de la tripanosomiasis africana humana o la enfermedad del sueño. En 2003, se reintrodujo el trióxido de arsénico (con el nombre comercial de Trisenox ) para el tratamiento de la leucemia promielocítica aguda , un cáncer de la sangre y la médula ósea. El arsénico en el agua potable, que causa cáncer de pulmón y vejiga, se ha asociado con una reducción de las tasas de mortalidad por cáncer de mama.

El antimonio metálico es relativamente no tóxico, pero la mayoría de los compuestos de antimonio son venenosos. Dos compuestos de antimonio, el estibogluconato de sodio y el estibofeno , se utilizan como fármacos antiparasitarios .

El telurio elemental no se considera particularmente tóxico; dos gramos de telurato de sodio, si se administran, pueden ser letales. Las personas expuestas a pequeñas cantidades de telurio en el aire exudan un olor fétido y persistente parecido al del ajo. El dióxido de telurio se ha utilizado para tratar la dermatitis seborreica ; otros compuestos de telurio se utilizaron como agentes antimicrobianos antes del desarrollo de los antibióticos. En el futuro, es posible que estos compuestos deban sustituirse por antibióticos que se han vuelto ineficaces debido a la resistencia bacteriana.

De los elementos que se reconocen con menos frecuencia como metaloides, el berilio y el plomo se destacan por su toxicidad; El arseniato de plomo se ha utilizado ampliamente como insecticida. El azufre es uno de los fungicidas y pesticidas más antiguos. El fósforo, el azufre, el zinc, el selenio y el yodo son nutrientes esenciales, y el aluminio, el estaño y el plomo pueden serlo. El azufre, el galio, el selenio, el yodo y el bismuto tienen aplicaciones medicinales. El azufre es un componente de los medicamentos de sulfonamida , que todavía se usan ampliamente para afecciones como el acné y las infecciones del tracto urinario. El nitrato de galio se usa para tratar los efectos secundarios del cáncer; El citrato de galio, un radiofármaco , facilita la obtención de imágenes de áreas del cuerpo inflamadas. El sulfuro de selenio se utiliza en champús medicinales y para tratar infecciones de la piel como la tiña versicolor . El yodo se utiliza como desinfectante en diversas formas. El bismuto es un ingrediente de algunos antibacterianos .

Catalizadores

El trifluoruro y tricloruro de boro se utilizan como catalizadores en síntesis orgánica y electrónica; el tribromuro se utiliza en la fabricación de diborano . Los ligandos de boro no tóxicos podrían reemplazar a los ligandos de fósforo tóxicos en algunos catalizadores de metales de transición. El ácido silícico sulfúrico (SiO ₂ OSO ₃ H) se utiliza en reacciones orgánicas. El dióxido de germanio se utiliza a veces como catalizador en la producción de plástico PET para envases; Los compuestos de antimonio más baratos, como el trióxido o el triacetato , se emplean más comúnmente para el mismo propósito a pesar de las preocupaciones sobre la contaminación de alimentos y bebidas por antimonio. El trióxido de arsénico se ha utilizado en la producción de gas natural , para impulsar la eliminación de dióxido de carbono , al igual que el ácido selenoso y el ácido teluroso . El selenio actúa como catalizador en algunos microorganismos. El telurio, su dióxido y su tetracloruro son fuertes catalizadores para la oxidación del carbono con aire por encima de los 500 ° C. El óxido de grafito se puede utilizar como catalizador en la síntesis de iminas y sus derivados. El carbón activado y la alúmina se han utilizado como catalizadores para la eliminación de contaminantes de azufre del gas natural. El aluminio dopado con titanio se ha identificado como un sustituto de los costosos catalizadores de metales nobles utilizados en la producción de productos químicos industriales.

Retardantes de llama

Se han utilizado compuestos de boro, silicio, arsénico y antimonio como retardadores de llama . El boro, en forma de bórax , se ha utilizado como retardante de llama textil desde al menos el siglo XVIII. Los compuestos de silicio como siliconas, silanos , silsesquioxano , sílice y silicatos , algunos de los cuales se desarrollaron como alternativas a los productos halogenados más tóxicos , pueden mejorar considerablemente la resistencia al fuego de los materiales plásticos. Los compuestos de arsénico, como el arsenito de sodio o el arsenato de sodio, son retardadores de llama eficaces para la madera, pero se han utilizado con menos frecuencia debido a su toxicidad. El trióxido de antimonio es un retardante de llama. El hidróxido de aluminio se ha utilizado como retardante de llama de fibra de madera, caucho, plástico y textiles desde la década de 1890. Aparte del hidróxido de aluminio, el uso de retardantes de llama a base de fósforo - en forma de, por ejemplo, organofosforados - ahora supera al de cualquiera de los otros tipos principales de retardantes. Éstos emplean compuestos de boro, antimonio o hidrocarburos halogenados .

Formación de vidrio

Fibras ópticas , generalmente hechas de vidrio de dióxido de silicio puro , con aditivos como trióxido de boro o dióxido de germanio para aumentar la sensibilidad.

Los óxidos B ₂ O ₃ , SiO ₂ , GeO ₂ , As ₂ O ₃ y Sb ₂ O ₃ forman vidrios fácilmente . El TeO ₂ forma un vidrio, pero esto requiere una "velocidad de enfriamiento heroica" o la adición de una impureza; de lo contrario, resulta la forma cristalina. Estos compuestos se utilizan en cristalería y óptica química, doméstica e industrial. El trióxido de boro se utiliza como aditivo de fibra de vidrio y también es un componente del vidrio de borosilicato , muy utilizado para cristalería de laboratorio y utensilios domésticos para el horno por su baja expansión térmica. La mayor parte de la cristalería ordinaria está hecha de dióxido de silicio. El dióxido de germanio se utiliza como aditivo de fibra de vidrio, así como en sistemas ópticos infrarrojos. El trióxido de arsénico se utiliza en la industria del vidrio como agente decolorante y clarificante (para la eliminación de burbujas), al igual que el trióxido de antimonio. El dióxido de telurio encuentra aplicación en láser y óptica no lineal .

Los vidrios metálicos amorfos generalmente se preparan más fácilmente si uno de los componentes es un metaloide o "casi metaloide" como boro, carbono, silicio, fósforo o germanio. Aparte de las películas delgadas depositadas a muy bajas temperaturas, el primer vidrio metálico conocido fue una aleación de composición Au ₇₅ Si ₂₅ reportada en 1960. Un vidrio metálico que tiene una resistencia y tenacidad nunca antes vista, de composición Pd _82.5 P ₆ Si _9.5 Ge ₂ , se informó en 2011.

El fósforo, el selenio y el plomo, que se reconocen con menos frecuencia como metaloides, también se utilizan en vasos. El vidrio de fosfato tiene un sustrato de pentóxido de fósforo (P ₂ O ₅ ), en lugar de la sílice (SiO ₂ ) de los vidrios de silicato convencionales. Se utiliza, por ejemplo, para fabricar lámparas de sodio . Los compuestos de selenio se pueden utilizar tanto como agentes decolorantes como para añadir un color rojo al vidrio. La cristalería decorativa hecha de vidrio de plomo tradicional contiene al menos un 30% de óxido de plomo (II) (PbO); El vidrio de plomo utilizado para el blindaje contra la radiación puede tener hasta un 65% de PbO. Los vidrios a base de plomo también se han utilizado ampliamente en componentes electrónicos, materiales de esmaltado, sellado y acristalamiento, y células solares. Los vidrios de óxido a base de bismuto han surgido como un reemplazo menos tóxico del plomo en muchas de estas aplicaciones.

Almacenamiento óptico y optoelectrónica

Las diferentes composiciones de GeSbTe ("aleaciones GST") y Sb ₂ Te dopado con Ag y Sb ₂ Te ("aleaciones AIST"), que son ejemplos de materiales de cambio de fase , se utilizan ampliamente en discos ópticos regrabables y dispositivos de memoria de cambio de fase . Al aplicar calor, se pueden cambiar entre los estados amorfo (vítreo) y cristalino . El cambio en las propiedades ópticas y eléctricas se puede utilizar para fines de almacenamiento de información. Las aplicaciones futuras de GeSbTe pueden incluir, "pantallas ultrarrápidas, completamente de estado sólido con píxeles de escala nanométrica, lentes 'inteligentes' semitransparentes, lentes de contacto 'inteligentes' y dispositivos de retina artificial".

Pirotécnica

Señal de luz azul arcaica , alimentada por una mezcla de nitrato de sodio , azufre y trisulfuro de arsénico (rojo)

Los metaloides reconocidos tienen aplicaciones pirotécnicas o propiedades asociadas. El boro y el silicio se encuentran comúnmente; actúan como combustibles metálicos. El boro se usa en composiciones de iniciadores pirotécnicos (para encender otras composiciones difíciles de arrancar) y en composiciones retardantes que se queman a una velocidad constante. El carburo de boro ha sido identificado como un posible reemplazo de mezclas de bario o hexacloroetano más tóxicas en municiones de humo, bengalas de señales y fuegos artificiales. El silicio, como el boro, es un componente de las mezclas de iniciadores y retardadores. El germanio dopado puede actuar como combustible de termita de velocidad variable . El trisulfuro de arsénico As ₂ S ₃ se usó en antiguas señales luminosas navales ; en fuegos artificiales para hacer estrellas blancas; en mezclas de pantallas de humo amarillas ; y en composiciones iniciadoras. El trisulfuro de antimonio Sb ₂ S ₃ se encuentra en fuegos artificiales de luz blanca y en mezclas de destellos y sonidos . Telurio se ha utilizado en las mezclas de retardo y en voladura tapa composiciones iniciadoras.

El carbono, el aluminio, el fósforo y el selenio continúan el tema. El carbono, en polvo negro , es un componente de los propulsores de cohetes de fuegos artificiales, cargas explosivas y mezclas de efectos, y mechas y encendedores de retardo militar. El aluminio es un ingrediente pirotécnico común y se emplea ampliamente por su capacidad para generar luz y calor, incluso en mezclas de termita. El fósforo se puede encontrar en el humo y en las municiones incendiarias, las tapas de papel que se usan en las pistolas de juguete y los poppers para fiestas . El selenio se ha utilizado de la misma forma que el telurio.

Semiconductores y electrónica

Componentes electrónicos basados ​​en semiconductores . De izquierda a derecha: un transistor , un circuito integrado y un LED . Los elementos comúnmente reconocidos como metaloides encuentran un uso generalizado en tales dispositivos, como constituyentes semiconductores elementales o compuestos ( Si , Ge o GaAs , por ejemplo) o como agentes dopantes ( B , Sb , Te , por ejemplo).

Todos los elementos comúnmente reconocidos como metaloides (o sus compuestos) se han utilizado en las industrias de semiconductores o electrónica de estado sólido.

Algunas propiedades del boro han limitado su uso como semiconductor. Tiene un alto punto de fusión, los monocristales son relativamente difíciles de obtener y es difícil introducir y retener impurezas controladas.

El silicio es el semiconductor comercial líder; constituye la base de la electrónica moderna (incluidas las células solares estándar) y las tecnologías de la información y la comunicación. Esto fue a pesar de que el estudio de los semiconductores, a principios del siglo XX, se consideró como la "física de la suciedad" y no merecía una atención especial.

El germanio ha sido reemplazado en gran medida por silicio en dispositivos semiconductores, siendo más barato, más resistente a temperaturas de funcionamiento más altas y más fácil de trabajar durante el proceso de fabricación microelectrónica. El germanio sigue siendo un componente de las "aleaciones" semiconductoras de silicio-germanio y su uso ha ido creciendo, en particular para dispositivos de comunicación inalámbrica; tales aleaciones aprovechan la mayor movilidad de portadores del germanio. La síntesis de cantidades a escala de gramos de germanano semiconductor se informó en 2013. Este consiste en láminas de un átomo de espesor de átomos de germanio terminados en hidrógeno, análogos al grafano . Conduce electrones diez veces más rápido que el silicio y cinco veces más rápido que el germanio, y se cree que tiene potencial para aplicaciones optoelectrónicas y de detección. En 2014 se informó sobre el desarrollo de un ánodo a base de alambre de germanio que duplica con creces la capacidad de las baterías de iones de litio. En el mismo año, Lee et al. informó que los cristales de grafeno sin defectos lo suficientemente grandes como para tener usos electrónicos podrían cultivarse y eliminarse de un sustrato de germanio.

El arsénico y el antimonio no son semiconductores en sus estados estándar . Ambos forman semiconductores de tipo III-V (como GaAs, AlSb o GaInAsSb) en los que el número medio de electrones de valencia por átomo es el mismo que el de los elementos del Grupo 14 . Estos compuestos se prefieren para algunas aplicaciones especiales. Los nanocristales de antimonio pueden permitir que las baterías de iones de litio sean reemplazadas por baterías de iones de sodio más potentes .

El telurio, que es un semiconductor en su estado estándar, se utiliza principalmente como componente en calcogenuros semiconductores de tipo II / VI ; estos tienen aplicaciones en electroóptica y electrónica. El telururo de cadmio (CdTe) se utiliza en módulos solares por su alta eficiencia de conversión, bajos costos de fabricación y gran banda prohibida de 1,44 eV, lo que le permite absorber una amplia gama de longitudes de onda. El telururo de bismuto (Bi ₂ Te ₃ ), aleado con selenio y antimonio, es un componente de los dispositivos termoeléctricos utilizados para la refrigeración o la generación de energía portátil.

Se pueden encontrar cinco metaloides (boro, silicio, germanio, arsénico y antimonio) en los teléfonos celulares (junto con al menos otros 39 metales y no metales). Se espera que el telurio encuentre tal uso. De los metaloides menos conocidos, el fósforo, el galio (en particular) y el selenio tienen aplicaciones semiconductoras. El fósforo se utiliza en cantidades mínimas como dopante para semiconductores de tipo n . El uso comercial de compuestos de galio está dominado por aplicaciones de semiconductores: en circuitos integrados, teléfonos móviles, diodos láser , diodos emisores de luz , fotodetectores y células solares . El selenio se utiliza en la producción de células solares y en protectores de sobretensión de alta energía .

En los aislantes topológicos se pueden encontrar boro, silicio, germanio, antimonio y telurio, así como metales y metaloides más pesados ​​como Sm, Hg, Tl, Pb, Bi y Se . Se trata de aleaciones o compuestos que, a temperaturas ultrafrías o temperatura ambiente (según su composición), son conductores metálicos en su superficie pero aislantes en su interior. El arseniuro de cadmio Cd ₃ As ₂ , a aproximadamente 1 K, es un semimetal de Dirac, un análogo electrónico masivo del grafeno, en el que los electrones viajan de manera efectiva como partículas sin masa. Se cree que estas dos clases de material tienen aplicaciones potenciales de computación cuántica .

Nomenclatura e historia

Derivación y otros nombres

La palabra metaloide proviene del latín metallum ("metal") y del griego oeides ("parecido en forma o apariencia"). A veces se utilizan varios nombres como sinónimos, aunque algunos de ellos tienen otros significados que no son necesariamente intercambiables: elemento anfótero, elemento límite, medio metal, elemento medio, casi metal, metametal, semiconductor, semimetal y submetal . El término "elemento anfótero" se usa a veces de manera más amplia para incluir metales de transición capaces de formar oxianiones , tales como cromo y manganeso . " Semi-metal " se usa en física para referirse a un compuesto (como el dióxido de cromo ) o aleación que puede actuar como conductor y aislante . En cambio, "meta-metal" se usa a veces para referirse a ciertos metales ( Be , Zn , Cd , Hg , In , Tl , β-Sn , Pb ) ubicados justo a la izquierda de los metaloides en las tablas periódicas estándar. Estos metales son en su mayoría diamagnéticos y tienden a tener estructuras cristalinas distorsionadas, valores de conductividad eléctrica en el extremo inferior de los de los metales y óxidos anfóteros (débilmente básicos). "Semimetal" a veces se refiere, libremente o explícitamente, a metales con carácter metálico incompleto en estructura cristalina, conductividad eléctrica o estructura electrónica. Los ejemplos incluyen galio, iterbio , bismuto y neptunio . Los nombres de elemento anfótero y semiconductor son problemáticos ya que algunos elementos denominados metaloides no muestran un comportamiento anfótero marcado (bismuto, por ejemplo) o semiconductividad (polonio) en sus formas más estables.

Origen y uso

El origen y uso del término metaloide es complicado. Su origen radica en los intentos, que datan de la antigüedad, de describir los metales y distinguir entre formas típicas y menos típicas. Se aplicó por primera vez a principios del siglo XIX a los metales que flotaban en el agua (sodio y potasio), y luego más popularmente a los no metales. El uso anterior en mineralogía , para describir un mineral que tiene una apariencia metálica, se puede obtener desde 1800. Desde mediados del siglo XX se ha utilizado para referirse a elementos químicos intermedios o limítrofes. La Unión Internacional de Química Pura y Aplicada (IUPAC) recomendó anteriormente abandonar el término metaloide y sugirió usar el término semimetal en su lugar. El uso de este último término ha sido desaconsejado más recientemente por Atkins et al. ya que tiene un significado diferente en física, uno que se refiere más específicamente a la estructura de banda electrónica de una sustancia en lugar de a la clasificación general de un elemento. Las publicaciones más recientes de la IUPAC sobre nomenclatura y terminología no incluyen ninguna recomendación sobre el uso de los términos metaloide o semimetal.

Elementos comúnmente reconocidos como metaloides

Las propiedades indicadas en esta sección se refieren a los elementos en sus formas más termodinámicamente estables en condiciones ambientales.

Boro

Boro, que se muestra aquí en forma de su fase romboédrica β (su alótropo más estable termodinámicamente )

El boro puro es un sólido cristalino gris plateado brillante. Es menos denso que el aluminio (2,34 frente a 2,70 g / cm ³ ) y es duro y quebradizo. Es apenas reactivo en condiciones normales, excepto por el ataque del flúor , y tiene un punto de fusión de 2076 ° C (cf. acero ~ 1370 ° C). El boro es un semiconductor; su conductividad eléctrica a temperatura ambiente es de 1,5 × 10 ⁻⁶ S • cm ⁻¹ (aproximadamente 200 veces menor que la del agua del grifo) y tiene una banda prohibida de aproximadamente 1,56 eV. Mendeleev comentó que "el boro aparece en un estado libre en varias formas que son intermedias entre los metales y los no metales".

La química estructural del boro está dominada por su pequeño tamaño atómico y su energía de ionización relativamente alta. Con solo tres electrones de valencia por átomo de boro, el enlace covalente simple no puede cumplir la regla del octeto. La unión metálica es el resultado habitual entre los congéneres más pesados ​​de boro, pero esto generalmente requiere bajas energías de ionización. En cambio, debido a su pequeño tamaño y altas energías de ionización, la unidad estructural básica del boro (y casi todos sus alótropos) es el grupo icosaédrico B ₁₂ . De los 36 electrones asociados con 12 átomos de boro, 26 residen en 13 orbitales moleculares deslocalizados; los otros 10 electrones se utilizan para formar enlaces covalentes de dos y tres centros entre los icosaedros. Se puede observar el mismo motivo, al igual que las variantes o fragmentos deltaédricos , en los boruros metálicos y los derivados hidruros, y en algunos haluros.

La unión en boro se ha descrito como característica del comportamiento intermedio entre metales y sólidos de la red covalente no metálicos (como el diamante ). La energía requerida para transformar B, C, N, Si y P de estados no metálicos a metálicos se ha estimado en 30, 100, 240, 33 y 50 kJ / mol, respectivamente. Esto indica la proximidad del boro al límite entre metal y no metal.

La mayor parte de la química del boro es de naturaleza no metálica. A diferencia de sus congéneres más pesados, no se sabe que forme un catión B ³⁺ simple o hidratado [B (H ₂ O) ₄ ] ³⁺ . El pequeño tamaño del átomo de boro permite la preparación de muchos boruros de tipo aleación intersticial . Se han observado analogías entre el boro y los metales de transición en la formación de complejos y aductos (por ejemplo, BH ₃ + CO → BH ₃ CO y, de manera similar, Fe (CO) ₄ + CO → Fe (CO) ₅ ), también como en las estructuras geométricas y electrónicas de especies de conglomerados como [B ₆ H ₆ ] ²⁻ y [Ru ₆ (CO) ₁₈ ] ²⁻ . La química acuosa del boro se caracteriza por la formación de muchos aniones poliborato diferentes . Dada su alta relación carga-tamaño, el boro se une covalentemente en casi todos sus compuestos; las excepciones son los boruros ya que estos incluyen, dependiendo de su composición, componentes de enlace covalente, iónico y metálico. Los compuestos binarios simples, como el tricloruro de boro, son ácidos de Lewis, ya que la formación de tres enlaces covalentes deja un agujero en el octeto que puede llenarse con un par de electrones donado por una base de Lewis . El boro tiene una fuerte afinidad por el oxígeno y una química de borato debidamente extensa . El óxido B ₂ O ₃ es de estructura polimérica , débilmente ácido y formador de vidrio. Los compuestos organometálicos de boro se conocen desde el siglo XIX (ver química organoboro ).

Silicio

El silicio tiene un brillo metálico gris azulado .

El silicio es un sólido cristalino con un brillo metálico gris azulado. Como el boro, es menos denso (2,33 g / cm ³ ) que el aluminio y es duro y quebradizo. Es un elemento relativamente poco reactivo. Según Rochow, la forma cristalina masiva (especialmente si es pura) es "notablemente inerte a todos los ácidos, incluido el fluorhídrico ". El silicio menos puro y la forma en polvo son susceptibles al ataque de ácidos fuertes o calientes, así como de vapor y flúor. El silicio se disuelve en álcalis acuosos calientes con el desprendimiento de hidrógeno , al igual que los metales como el berilio, el aluminio, el zinc, el galio o el indio. Se funde a 1414 ° C. El silicio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de 10 ⁻⁴  S • cm ⁻¹ y una banda prohibida de aproximadamente 1,11 eV. Cuando se derrite, el silicio se convierte en un metal razonable con una conductividad eléctrica de 1.0–1.3 × 10 ⁴  S • cm ⁻¹ , similar a la del mercurio líquido.

La química del silicio es generalmente de naturaleza no metálica (covalente). No se sabe que forme un catión. El silicio puede formar aleaciones con metales como el hierro y el cobre. Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. La alta resistencia del enlace silicio-oxígeno domina el comportamiento químico del silicio. Los silicatos poliméricos, formados por unidades tetraédricas de SiO ₄ que comparten sus átomos de oxígeno, son los compuestos más abundantes e importantes del silicio. Los boratos poliméricos, que comprenden unidades BO ₃ o BO ₄ trigonales y tetraédricas enlazadas , se basan en principios estructurales similares. El óxido de SiO ₂ es de estructura polimérica, débilmente ácido y formador de vidrio. La química organometálica tradicional incluye los compuestos de carbono del silicio (ver organosilicio ).

Germanio

El germanio a veces se describe como un metal

El germanio es un sólido blanco grisáceo brillante. Tiene una densidad de 5,323 g / cm ³ y es duro y quebradizo. En su mayoría no reacciona a temperatura ambiente, pero es atacado lentamente por ácido sulfúrico o nítrico concentrado caliente . El germanio también reacciona con la sosa cáustica fundida para producir germanato de sodio Na ₂ GeO ₃ y gas hidrógeno. Se funde a 938 ° C. El germanio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de alrededor de 2 × 10 ⁻²  S • cm ⁻¹ y una banda prohibida de 0,67 eV. El germanio líquido es un conductor metálico, con una conductividad eléctrica similar a la del mercurio líquido.

La mayor parte de la química del germanio es característica de un no metal. No está claro si el germanio forma o no un catión, aparte de la existencia informada del ion Ge ²⁺ en algunos compuestos esotéricos. Puede formar aleaciones con metales como el aluminio y el oro . Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. El germanio generalmente forma compuestos tetravalentes (IV) y también puede formar compuestos divalentes (II) menos estables, en los que se comporta más como un metal. Se han preparado análogos de germanio de todos los tipos principales de silicatos. El carácter metálico del germanio también es sugerido por la formación de varias sales de oxoácidos . Se han descrito un fosfato [(HPO ₄ ) ₂ Ge · H ₂ O] y un trifluoroacetato muy estable Ge (OCOCF ₃ ) ₄ , al igual que Ge ₂ (SO ₄ ) ₂ , Ge (ClO ₄ ) ₄ y GeH ₂ (C ₂ O ₄ ) ₃ . El óxido GeO ₂ es polimérico, anfótero y formador de vidrio. El dióxido es soluble en soluciones ácidas (el monóxido GeO, lo es aún más), y esto a veces se usa para clasificar el germanio como un metal. Hasta la década de 1930, el germanio se consideraba un metal de mala conducción; Ocasionalmente ha sido clasificado como metal por escritores posteriores. Al igual que con todos los elementos comúnmente reconocidos como metaloides, el germanio tiene una química organometálica establecida (ver Química del organogermanio ).

Arsénico

Arsénico , sellado en un recipiente para evitar que se empañe

El arsénico es un sólido gris metálico de aspecto. Tiene una densidad de 5.727 g / cm ³ y es frágil y moderadamente duro (más que el aluminio; menos que el hierro ). Es estable al aire seco, pero desarrolla una pátina de bronce dorado en el aire húmedo, que se ennegrece al exponerse más. El arsénico es atacado por el ácido nítrico y el ácido sulfúrico concentrado. Reacciona con la sosa cáustica fundida para dar el arseniato de Na ₃ AsO ₃ y el gas hidrógeno. El arsénico se sublima a 615 ° C. El vapor es de color amarillo limón y huele a ajo. El arsénico solo se derrite a una presión de 38,6 atm , a 817 ° C. Es un semimetal con una conductividad eléctrica de alrededor de 3,9 × 10 ⁴  S • cm ⁻¹ y una superposición de banda de 0,5 eV. El arsénico líquido es un semiconductor con una banda prohibida de 0,15 eV.

La química del arsénico es predominantemente no metálica. No está claro si el arsénico forma un catión o no. Sus muchas aleaciones metálicas son en su mayoría frágiles. Muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. El arsénico generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de +3 o +5. Los haluros y los óxidos y sus derivados son ejemplos ilustrativos. En estado trivalente, el arsénico muestra algunas propiedades metálicas incipientes. Los haluros se hidrolizan con agua pero estas reacciones, particularmente las del cloruro, son reversibles con la adición de un ácido hidrohálico . El óxido es ácido pero, como se indica a continuación, (débilmente) anfótero. El estado pentavalente más alto, menos estable, tiene propiedades fuertemente ácidas (no metálicas). En comparación con el fósforo, el carácter metálico más fuerte del arsénico está indicado por la formación de sales de oxoácidos como AsPO ₄ , As ₂ (SO ₄ ) ₃ y acetato de arsénico As (CH ₃ COO) ₃ . El óxido As ₂ O ₃ es polimérico, anfótero y formador de vidrio. El arsénico tiene una química organometálica extensa (ver Química organoarsénica ).

Antimonio

Antimonio , mostrando su brillo brillante

El antimonio es un sólido blanco plateado con un tinte azul y un brillo brillante. Tiene una densidad de 6,697 g / cm ³ y es frágil y moderadamente duro (más que el arsénico; menos que el hierro; aproximadamente lo mismo que el cobre). Es estable al aire y a la humedad a temperatura ambiente. Es atacado por ácido nítrico concentrado, produciendo el pentóxido hidratado Sb ₂ O ₅ . Aqua regia da el pentacloruro SbCl ₅ y el ácido sulfúrico concentrado caliente da como resultado el sulfato Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ . No se ve afectado por el álcali fundido. El antimonio es capaz de desplazar el hidrógeno del agua cuando se calienta: 2 Sb + 3 H ₂ O → Sb ₂ O ₃ + 3 H ₂ . Se derrite a 631 ° C. El antimonio es un semimetal con una conductividad eléctrica de alrededor de 3,1 × 10 ⁴  S • cm ^-1 y una superposición de bandas de 0,16 eV. El antimonio líquido es un conductor metálico con una conductividad eléctrica de alrededor de 5,3 × 10 ⁴  S • cm ⁻¹ .

La mayor parte de la química del antimonio es característica de un no metal. El antimonio tiene cierta química catiónica definida, estando presentes SbO ⁺ y Sb (OH) ₂ ⁺ en una solución acuosa ácida; el compuesto Sb ₈ (GaCl ₄ ) ₂ , que contiene la homopolización, Sb ₈ ²⁺ , se preparó en 2004. Puede formar aleaciones con uno o más metales como aluminio, hierro, níquel , cobre, zinc, estaño, plomo, y bismuto. El antimonio tiene menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales comunes. La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. Al igual que el arsénico, el antimonio generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de +3 o +5. Los haluros y los óxidos y sus derivados son ejemplos ilustrativos. El estado +5 es menos estable que el +3, pero relativamente más fácil de alcanzar que con arsénico. Esto se explica por el escaso blindaje proporcionado al núcleo de arsénico por sus 3d ¹⁰ electrones . En comparación, la tendencia del antimonio (que es un átomo más pesado) a oxidarse más fácilmente compensa parcialmente el efecto de su capa 4d ¹⁰ . El antimonio tripositivo es anfótero; el antimonio pentapositivo es (predominantemente) ácido. Consistente con un aumento en el carácter metálico por debajo del grupo 15 , el antimonio forma sales o compuestos similares a las sales que incluyen un nitrato Sb (NO ₃ ) ₃ , fosfato SbPO ₄ , sulfato Sb ₂ (SO ₄ ) ₃ y perclorato Sb (ClO ₄ ) ₃ . El pentóxido Sb ₂ O _{5, por lo} demás ácido, muestra cierto comportamiento básico (metálico) en el sentido de que puede disolverse en soluciones muy ácidas, con la formación de la oxidación SbO.⁺
₂. El óxido Sb ₂ O ₃ es polimérico, anfótero y formador de vidrio. El antimonio tiene una extensa química organometálica (ver Química de organoantimonio ).

Telurio

Telurio , descrito por Dmitri Mendeleev como formando una transición entre metales y no metales.

El telurio es un sólido brillante de color blanco plateado. Tiene una densidad de 6,24 g / cm ³ , es frágil y es el más blando de los metaloides comúnmente reconocidos, siendo ligeramente más duro que el azufre. Los trozos grandes de telurio son estables en el aire. La forma finamente pulverizada se oxida con el aire en presencia de humedad. El telurio reacciona con agua hirviendo, o cuando está recién precipitado incluso a 50 ° C, para dar el dióxido y el hidrógeno: Te + 2 H ₂ O → TeO ₂ + 2 H ₂ . Reacciona (en diversos grados) con los ácidos nítrico, sulfúrico y clorhídrico para dar compuestos como el sulfóxido TeSO ₃ o el ácido teluroso H ₂ TeO ₃ , el nitrato básico (Te ₂ O ₄ H) ⁺ (NO ₃ ) ^- , o el óxido de sulfato Te ₂ O ₃ (SO ₄ ). Se disuelve en álcalis hirviendo, para dar el telurito y el telururo : 3 Te + 6 KOH = K ₂ TeO ₃ + 2 K ₂ Te + 3 H ₂ O, una reacción que avanza o es reversible al aumentar o disminuir la temperatura.

A temperaturas más altas, el telurio es suficientemente plástico para extruirse. Se funde a 449,51 ° C. El telurio cristalino tiene una estructura que consta de cadenas en espiral infinitas paralelas. El enlace entre átomos adyacentes en una cadena es covalente, pero hay evidencia de una interacción metálica débil entre los átomos vecinos de diferentes cadenas. El telurio es un semiconductor con una conductividad eléctrica de alrededor de 1.0 S • cm ^-1 y una banda prohibida de 0.32 a 0.38 eV. El telurio líquido es un semiconductor, con una conductividad eléctrica, al fundirse, de alrededor de 1,9 × 10 ³  S • cm ⁻¹ . El telurio líquido sobrecalentado es un conductor metálico.

La mayor parte de la química del telurio es característica de un no metal. Muestra cierto comportamiento catiónico. El dióxido se disuelve en ácido para producir el ion trihidroxotelurio (IV) Te (OH) ₃ ⁺ ; los iones rojo Te ₄ ²⁺ y amarillo anaranjado Te ₆ ²⁺ se forman cuando el telurio se oxida en ácido fluorosulfúrico (HSO ₃ F) o dióxido de azufre líquido (SO ₂ ), respectivamente. Puede formar aleaciones con aluminio, plata y estaño. El telurio muestra menos tendencias al comportamiento aniónico que los no metales ordinarios. La química de su solución se caracteriza por la formación de oxianiones. El telurio generalmente forma compuestos en los que tiene un estado de oxidación de -2, +4 o +6. El estado +4 es el más estable. Los telururos de composición X _x Te _y se forman fácilmente con la mayoría de los otros elementos y representan los minerales de telurio más comunes. La no estequiometría es omnipresente, especialmente con metales de transición. Muchos telururos pueden considerarse aleaciones metálicas. El aumento del carácter metálico evidente en el telurio, en comparación con los calcógenos más ligeros , se refleja además en la formación informada de varias otras sales oxiácidas, como un selenato básico 2TeO ₂ · SeO ₃ y un perclorato y peryodato análogos 2TeO ₂ · HXO ₄ . El telurio forma un óxido polimérico, anfótero, formador de vidrio, TeO ₂ . Es un óxido formador de vidrio "condicional": forma un vidrio con una cantidad muy pequeña de aditivo. El telurio tiene una química organometálica extensa (ver Química de organotellurio ).

Elementos menos comúnmente reconocidos como metaloides

Carbón

Carbono (como grafito ). Los electrones de valencia deslocalizados dentro de las capas de grafito le dan una apariencia metálica.

El carbono se clasifica normalmente como un no metal, pero tiene algunas propiedades metálicas y ocasionalmente se clasifica como metaloide. El carbono grafítico hexagonal (grafito) es el alótropo de carbono más estable termodinámicamente en condiciones ambientales. Tiene un aspecto lustroso y es un conductor eléctrico bastante bueno. El grafito tiene una estructura en capas. Cada capa consta de átomos de carbono unidos a otros tres átomos de carbono en una disposición de red hexagonal . Las capas se apilan juntas y se mantienen sueltas por las fuerzas de van der Waals y los electrones de valencia deslocalizados .

Como un metal, la conductividad del grafito en la dirección de sus planos disminuye a medida que aumenta la temperatura; tiene la estructura de banda electrónica de un semimetal. Los alótropos del carbono, incluido el grafito, pueden aceptar átomos o compuestos extraños en sus estructuras mediante sustitución, intercalación o dopaje . Los materiales resultantes se denominan "aleaciones de carbono". El carbono puede formar sales iónicas, como hidrogenosulfato, perclorato y nitrato (C⁺
₂₄X ^- .2HX, donde X = HSO ₄ , ClO ₄ ; y C⁺
₂₄NO^-
₃.3HNO ₃ ). En química orgánica , el carbono puede formar cationes complejos, denominados carbocationes  , en los que la carga positiva está en el átomo de carbono; ejemplos son CH⁺
₃y CH⁺
₅y sus derivados.

El carbono es frágil y se comporta como un semiconductor en una dirección perpendicular a sus planos. La mayor parte de su química no es metálica; tiene una energía de ionización relativamente alta y, en comparación con la mayoría de los metales, una electronegatividad relativamente alta. El carbono puede formar aniones como C ⁴⁻ ( metanuro ), C^2–
₂( acetiluro ) y C^3-
₄( sesquicarburo o allenuro ), en compuestos con metales de los grupos principales 1-3, y con los lantánidos y actínidos . Su óxido CO ₂ forma ácido carbónico H ₂ CO ₃ .

Aluminio

El aluminio de alta pureza es mucho más blando que sus aleaciones familiares . Las personas que lo manejan por primera vez a menudo preguntan si es real.

El aluminio se clasifica normalmente como metal. Es lustroso, maleable y dúctil, y tiene una alta conductividad eléctrica y térmica. Como la mayoría de los metales, tiene una estructura cristalina compacta y forma un catión en solución acuosa.

Tiene algunas propiedades que son inusuales para un metal; en conjunto, a veces se utilizan como base para clasificar el aluminio como metaloide. Su estructura cristalina muestra alguna evidencia de enlace direccional . El aluminio se une covalentemente en la mayoría de los compuestos. El óxido Al ₂ O ₃ es anfótero y formador de vidrio condicional. El aluminio puede formar aluminatos aniónicos , considerándose tal comportamiento de carácter no metálico.

Se ha cuestionado la clasificación del aluminio como metaloide debido a sus muchas propiedades metálicas. Por lo tanto, podría decirse que es una excepción a la nemotécnica de que los elementos adyacentes a la línea divisoria metal-no metal son metaloides.

Stott etiqueta el aluminio como un metal débil. Tiene las propiedades físicas de un metal pero algunas de las propiedades químicas de un no metal. Steele señala el comportamiento químico paradójico del aluminio: "Se asemeja a un metal débil en su óxido anfótero y en el carácter covalente de muchos de sus compuestos ... Sin embargo, es un metal altamente electropositivo ... [con] un alto potencial de electrodo negativo ". Moody dice que, "el aluminio está en la 'frontera diagonal' entre metales y no metales en el sentido químico".

Selenio

El selenio gris , al ser un fotoconductor , conduce la electricidad unas 1000 veces mejor cuando la luz incide sobre él, una propiedad que se utiliza desde mediados de la década de 1870 en diversas aplicaciones de detección de luz.

El selenio muestra un comportamiento metaloide o no metálico limítrofe.

Su forma más estable, el alótropo trigonal gris , a veces se llama selenio "metálico" porque su conductividad eléctrica es varios órdenes de magnitud mayor que la de la forma monoclínica roja . El carácter metálico del selenio se muestra además por su brillo y su estructura cristalina, que se cree que incluye un enlace entre cadenas débilmente "metálico". El selenio se puede convertir en hilos delgados cuando está fundido y viscoso. Muestra renuencia a adquirir "los altos índices de oxidación positivos característicos de los no metales". Puede formar policationes cíclicos (como Se²⁺
₈) cuando se disuelve en oleums (atributo que comparte con el azufre y el telurio), y una sal catiónica hidrolizada en forma de perclorato de trihidroxoselenio (IV) [Se (OH) ₃ ] ⁺ · ClO^-
₄.

El carácter no metálico del selenio se muestra por su fragilidad y la baja conductividad eléctrica (~ 10 ⁻⁹ a 10 ⁻¹²  S • cm ⁻¹ ) de su forma altamente purificada. Esto es comparable o menor que el del bromo (7,95 × 10 ^–12  S • cm ^-1 ), un no metal. El selenio tiene la estructura de banda electrónica de un semiconductor y conserva sus propiedades semiconductoras en forma líquida. Tiene una electronegatividad relativamente alta (escala de Pauling revisada 2,55). Su química de reacción es principalmente la de sus formas aniónicas no metálicas Se ²⁻ , SeO²⁻
₃ y SeO²⁻
₄.

El selenio se describe comúnmente como un metaloide en la literatura de química ambiental . Se mueve a través del medio acuático de manera similar al arsénico y al antimonio; sus sales hidrosolubles, en concentraciones más elevadas, tienen un perfil toxicológico similar al del arsénico.

Polonio

El polonio es "claramente metálico" de alguna manera. Ambas formas alotrópicas son conductores metálicos. Es soluble en ácidos, formando el catión Po ^{2+ de} color rosa y desplazando el hidrógeno: Po + 2 H ⁺ → Po ²⁺ + H ₂ . Se conocen muchas sales de polonio. El óxido PoO ₂ es predominantemente de naturaleza básica. El polonio es un agente oxidante reacio, a diferencia de su congénere más ligero, el oxígeno: se requieren condiciones altamente reductoras para la formación del anión Po ²⁻ en solución acuosa.

No está claro si el polonio es dúctil o quebradizo. Se predice que será dúctil en función de sus constantes elásticas calculadas . Tiene una estructura cristalina cúbica simple . Una estructura de este tipo tiene pocos sistemas de deslizamiento y "conduce a una ductilidad muy baja y, por tanto, a una baja resistencia a la rotura".

El polonio muestra carácter no metálico en sus halogenuros y por la existencia de polónidos . Los haluros tienen propiedades generalmente características de los haluros no metálicos (son volátiles, se hidrolizan fácilmente y son solubles en disolventes orgánicos ). También se conocen muchas polónidas metálicas, que se obtienen al calentar los elementos juntos a 500–1 000 ° C y que contienen el anión Po ²⁻ .

Astatine

Como halógeno , el astato tiende a clasificarse como un no metal. Tiene algunas propiedades metálicas marcadas y, en cambio, a veces se clasifica como metaloide o (con menos frecuencia) como metal. Inmediatamente después de su producción en 1940, los primeros investigadores lo consideraron un metal. En 1949 fue llamado el no metal más noble (difícil de reducir ) además de ser un metal relativamente noble (difícil de oxidar). En 1950, el astato se describió como un halógeno y (por lo tanto) un no metal reactivo . En 2013, sobre la base de un modelo relativista , se predijo que el astato sería un metal monoatómico, con una estructura cristalina cúbica centrada en las caras .

Varios autores han comentado sobre la naturaleza metálica de algunas de las propiedades del astato. Dado que el yodo es un semiconductor en la dirección de sus planos, y dado que los halógenos se vuelven más metálicos al aumentar el número atómico, se ha supuesto que el astato sería un metal si pudiera formar una fase condensada. La astatina puede ser metálica en estado líquido sobre la base de que los elementos con una entalpía de vaporización (∆H _vap ) superior a ~ 42 kJ / mol son metálicos cuando están líquidos. Dichos elementos incluyen boro, silicio, germanio, antimonio, selenio y telurio. Los valores estimados para ∆H _vap de astato diatómico son 50 kJ / mol o más; el yodo diatómico, con un ∆H _vap de 41,71, está justo por debajo de la cifra umbral.

"Como los metales típicos, [astato] es precipitado por sulfuro de hidrógeno incluso de soluciones fuertemente ácidas y se desplaza en forma libre de las soluciones de sulfato; se deposita en el cátodo por electrólisis ". Otros indicios de una tendencia del astato a comportarse como un metal (pesado) son: "... la formación de compuestos pseudohaluro ... complejos de cationes astato ... aniones complejos de astato trivalente ... así como complejos con un variedad de disolventes orgánicos ". También se ha argumentado que la astato muestra un comportamiento catiónico, a través de formas estables At ⁺ y AtO ⁺ , en soluciones acuosas fuertemente ácidas.

Algunas de las propiedades reportadas de astato no son metálicas. Se ha extrapolado para tener el rango de líquido estrecho normalmente asociado con los no metales (pf 302 ° C; pb 337 ° C), aunque las indicaciones experimentales sugieren un punto de ebullición más bajo de aproximadamente 230 ± 3 ° C. Batsanov da una energía de banda prohibida calculada para astato de 0,7 eV; esto es consistente con los no metales (en física) que tienen bandas de conducción y valencia separadas y, por lo tanto, son semiconductores o aislantes. La química del astato en solución acuosa se caracteriza principalmente por la formación de varias especies aniónicas. La mayoría de sus compuestos conocidos se parecen a los del yodo, que es un halógeno y no un metal. Dichos compuestos incluyen astatidas (XAt), astatos (XAtO ₃ ) y compuestos interhalógenos monovalentes .

Restrepo et al. informó que el astato parecía ser más parecido al polonio que al halógeno. Lo hicieron sobre la base de estudios comparativos detallados de las propiedades conocidas e interpoladas de 72 elementos.

Conceptos relacionados

Cerca de metaloides

Cristales de yodo , con brillo metálico . El yodo es un semiconductor en la dirección de sus planos, con una banda prohibida de ~ 1,3 eV. Tiene una conductividad eléctrica de 1,7 × 10 ⁻⁸  S • cm ⁻¹ a temperatura ambiente . Esto es más alto que el selenio pero más bajo que el boro, el menos conductor eléctrico de los metaloides reconocidos.

En la tabla periódica, algunos de los elementos adyacentes a los metaloides comúnmente reconocidos, aunque generalmente se clasifican como metales o no metales, ocasionalmente se denominan casi metaloides o se destacan por su carácter metaloide. A la izquierda de la línea divisoria metal-no metal, estos elementos incluyen galio, estaño y bismuto. Muestran estructuras de empaquetamiento inusuales, química covalente marcada (molecular o polimérica) y anfoterismo. A la derecha de la línea divisoria están el carbono, el fósforo, el selenio y el yodo. Presentan brillo metálico, propiedades semiconductoras y bandas de enlace o valencia con carácter deslocalizado. Esto se aplica a sus formas más termodinámicamente estables en condiciones ambientales: carbono como grafito; fósforo como fósforo negro; y selenio como selenio gris.

Alótropos

Lata blanca (izquierda) y lata gris (derecha). Ambas formas tienen un aspecto metálico.

Las diferentes formas cristalinas de un elemento se denominan alótropos . Algunos alótropos, particularmente los de elementos ubicados (en términos de la tabla periódica) junto o cerca de la línea divisoria teórica entre metales y no metales, exhiben un comportamiento metálico, metaloidal o no metálico más pronunciado que otros. La existencia de tales alótropos puede complicar la clasificación de los elementos involucrados.

El estaño, por ejemplo, tiene dos alótropos: estaño β tetragonal "blanco" y estaño α "gris" cúbico. El estaño blanco es un metal muy brillante, dúctil y maleable. Es la forma estable a temperatura ambiente o por encima de ella y tiene una conductividad eléctrica de 9,17 × 10 ⁴  S · cm ⁻¹ (~ 1/6 de la del cobre). El estaño gris generalmente tiene la apariencia de un polvo microcristalino gris, y también se puede preparar en formas cristalinas o policristalinas semilustrosas quebradizas . Es la forma estable por debajo de 13,2 ° C y tiene una conductividad eléctrica de entre (2-5) × 10 ²  S · cm ⁻¹ (~ 1 / 250th la del estaño blanco). El estaño gris tiene la misma estructura cristalina que el diamante. Se comporta como un semiconductor (como si tuviera una banda prohibida de 0,08 eV), pero tiene la estructura de banda electrónica de un semimetal. Se le ha denominado como un metal muy pobre, un metaloide, un no metal o casi un metaloide.

El diamante alótropo del carbono es claramente no metálico, es translúcido y tiene una conductividad eléctrica baja de 10 ⁻¹⁴ a 10 ⁻¹⁶  S · cm ⁻¹ . El grafito tiene una conductividad eléctrica de 3 × 10 ⁴  S · cm ⁻¹ , una figura más característica de un metal. El fósforo, azufre, arsénico, selenio, antimonio y bismuto también tienen alótropos menos estables que muestran comportamientos diferentes.

Abundancia, extracción y costo

Abundancia

La tabla muestra abundancias en la corteza de los elementos comúnmente o raramente reconocidos como metaloides. Se incluyen algunos otros elementos a modo de comparación: oxígeno y xenón (los elementos más y menos abundantes con isótopos estables); el hierro y los metales de acuñación cobre, plata y oro; y renio, el metal estable menos abundante (el aluminio es normalmente el metal más abundante). Se han publicado varias estimaciones de abundancia; estos a menudo discrepan hasta cierto punto.

Extracción

Los metaloides reconocidos pueden obtenerse por reducción química de sus óxidos o de sus sulfuros . Pueden emplearse métodos de extracción más simples o más complejos dependiendo de la forma de partida y factores económicos. El boro se obtiene de forma rutinaria reduciendo el trióxido con magnesio: B ₂ O ₃ + 3 Mg → 2 B + 3 MgO; después del procesamiento secundario, el polvo marrón resultante tiene una pureza de hasta el 97%. El boro de mayor pureza (> 99%) se prepara calentando compuestos de boro volátiles, como BCl ₃ o BBr ₃ , ya sea en una atmósfera de hidrógeno (2 BX ₃ + 3 H ₂ → 2 B + 6 HX) o hasta el punto de descomposición térmica . El silicio y el germanio se obtienen a partir de sus óxidos calentando el óxido con carbono o hidrógeno: SiO ₂ + C → Si + CO ₂ ; GeO ₂ + 2 H ₂ → Ge + 2 H ₂ O. El arsénico se aísla de su pirita (FeAsS) o pirita arsénica (FeAs ₂ ) por calentamiento; alternativamente, se puede obtener a partir de su óxido por reducción con carbono: 2 As ₂ O ₃ + 3 C → 2 As + 3 CO ₂ . El antimonio se deriva de su sulfuro por reducción con hierro: Sb ₂ S ₃ → 2 Sb + 3 FeS. El telurio se prepara a partir de su óxido disolviéndolo en NaOH acuoso, produciendo telurito, luego por reducción electrolítica : TeO ₂ + 2 NaOH → Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O; Na ₂ TeO ₃ + H ₂ O → Te + 2 NaOH + O ₂ . Otra opción es la reducción del óxido tostando con carbón: TeO ₂ + C → Te + CO ₂ .

Los métodos de producción de los elementos menos frecuentemente reconocidos como metaloides implican el procesamiento natural, la reducción electrolítica o química o la irradiación. El carbono (como grafito) se produce de forma natural y se extrae triturando la roca madre y haciendo flotar el grafito más ligero hacia la superficie. El aluminio se extrae disolviendo su óxido Al ₂ O ₃ en criolita fundida Na ₃ AlF ₆ y luego mediante reducción electrolítica a alta temperatura. El selenio se produce tostando los selenuros metálicos de acuñación X ₂ Se (X = Cu, Ag, Au) con carbonato de sodio para dar el selenito: X ₂ Se + O ₂ + Na ₂ CO ₃ → Na ₂ SeO ₃ + 2 X + CO ₂ ; el seleniuro se neutraliza con ácido sulfúrico H ₂ SO ₄ para dar ácido selenoso H ₂ SeO ₃ ; esto se reduce burbujeando con SO ₂ para producir selenio elemental. El polonio y el astato se producen en cantidades diminutas mediante la irradiación de bismuto.

Costo

Los metaloides reconocidos y sus vecinos más cercanos cuestan en su mayoría menos que la plata; sólo el polonio y el astato son más caros que el oro, debido a su importante radiactividad. Al 5 de abril de 2014, los precios de muestras pequeñas (hasta 100 g) de silicio, antimonio y telurio, y grafito, aluminio y selenio, promedian alrededor de un tercio del costo de la plata (US $ 1,5 por gramo o alrededor de $ 45 la onza). Las muestras de boro, germanio y arsénico promedian aproximadamente tres veces y media el costo de la plata. El polonio está disponible por alrededor de $ 100 el microgramo . Zalutsky y Pruszynski estiman un costo similar para producir astato. Los precios de los elementos aplicables que se comercializan como productos básicos tienden a oscilar entre dos y tres veces más baratos que el precio de muestra (Ge), hasta casi tres mil veces más baratos (As).

Notas

Referencias

Fuentes

Otras lecturas

• Brady JE, Humiston GE & Heikkinen H (1980), "Química de los elementos representativos: Parte II, Los metaloides y no metales", en Química general: Principios y estructura, 2ª ed., Versión SI, John Wiley & Sons, Nueva York , págs. 537–91, ISBN  0-471-06315-0
• Chedd G (1969), Elementos a mitad de camino: La tecnología de los metaloides, Doubleday, Nueva York
• Choppin GR y Johnsen RH (1972), "Grupo IV y los metaloides", en Introducción a la química , Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, págs. 341–57
• Dunstan S (1968), "The Metaloids", en Principles of Chemistry, D. Van Nostrand Company, Londres, págs. 407–39
• Goldsmith RH (1982), "Metaloides", Journal of Chemical Education , vol. 59, no. 6, págs.526527, doi : 10.1021 / ed059p526
• Hawkes SJ (2001), "Semimetalicidad", Journal of Chemical Education, vol. 78, no. 12, págs. 1686–87, doi : 10.1021 / ed078p1686
• Metcalfe HC, Williams JE & Castka JF (1974), "Aluminium and the Metaloids", en Modern Chemistry, Holt, Rinehart y Winston, Nueva York, págs. 538–57, ISBN  0-03-089450-6
• Miller JS (2019), "Viewpoint: Metaloids - An Electronic Band Structure Perspective", Chemistry - A European Perspective, versión preimpresa, doi : 10.1002 / chem.201903167
• Moeller T, Bailar JC, Kleinberg J, Guss CO, Castellion ME & Metz C (1989), "Carbon and the Semiconducting Elements", en Chemistry, with Inorganic Qualitative Analysis, 3ª ed., Harcourt Brace Jovanovich, San Diego, págs. 742–75, ISBN  0-15-506492-4
• Parveen N y col. (2020), "Metaloides en plantas: una discusión sistemática más allá de la descripción", Annals of Applied Biology, doi : 10.1111 / aab.12666of
• Rieske M (1998), "Metaloides", en Enciclopedia de Ciencias Físicas y de la Tierra, Marshall Cavendish, Nueva York, vol. 6, págs. 758–59, ISBN  0-7614-0551-8 (conjunto)
• Rochow EG (1966), Los metaloides, DC Heath and Company, Boston
• Vernon RE (2013), "¿Qué elementos son metaloides?", Journal of Chemical Education, vol. 90, no. 12, págs. 1703–07, doi : 10.1021 / ed3008457
• —— (2020,) "Organización de metales y no metales" , Fundamentos de la química, (acceso abierto)